Laseroptische 3d-Konturerfassung: Modellierung Und Systemtheoretische Beschreibung Eines Sensorsystems

ISBN-13: 9783528064273 / Niemiecki / Miękka / 1991 / 192 str.

Bernhard Bundschuh

Opis

Die vorliegende Arbeit entstand wahrend meiner Tatigkeit als Wissenschaftlicher Mitar beiter am Institut fUr Nachrichtenverarbeitung der Universitat-Gesamthochschule -Siegen. Herrn Prof. Dr.-Ing. R. Schwarte gebiihrt mein besonderer Dank fUr die Anregung zu dieser Arbeit und fUr die Unterstiitzung bei ihrer DurchfUhrung. Ebenso mochte ich mich an dieser Stelle bei Herrn Prof. Dr.-Ing. G. Ries fUr seine zahl reichen wertvollen Hinweise und fUr die Ubernahme des Korreferates bedanken. Mein Dank gilt weiterhin Herrn Prof. Dr. sc. techno K. Hinrichs fUr die Ubernahme des Vorsitzes der Priifungskomission. Meinen Kollegen I. Aller, V. Baumgarten, R. Danel, W. Graf, K. Hartmann, F. Heuten, F. Klaus, R. Klein, J. Klicker, D. Ley, A. Li, O. Loffeld, L. Shi, L. Tran Duc, D. Wang, Q. You bin ich fUr die vielen fachlichen Gesprache sehr dankbar. Mein besonderer Dank gilt auch den Herren W. Twelsiek und R. Wurmbach fUr ihre Un terstiitzung bei der DurchfUhrung der Messungen. Bei Frau M. Pufahl mochte ich mich fUr ihre Hilfe bei den Schreibarbeiten bedanken. Bedanken mochte ich mich auch bei den Studentischen Hilfskraften E. Benfer, H. Fi scher und A. Grebe fUr ihre Miihe bei der DurchfUhrung der Messungen und ihre Hilfe bei der Anfertigung und Beschriftung der Zeichnungen. Nicht verges sen mochte ich auch, den zahlreichen Studien-und Diplomarbeitern zu dan ken, deren Arbeiten ich mitbetreut habe, und die durch ihr Engagement und ihre Ergeb nisse viele Teilaspekte zu meiner Arbeit beigetragen und mir sehr viel Einzelarbeit abge nommen haben.

Spis treści

1. Das Sensorsystem für die 3D—Konturerfassung.- 1.1 Aufgaben des Sensorrechners.- 1.2 Beschreibung der Scaneinheit.- 1.2.1 x/y—Scanner.- 1.2.2 ?/?—Scanner.- 1.3 Beschreibung des Abstandssensors.- 1.3.1 Funktionsweise des Abstandssensors.- 1.3.2 Baugruppen des Abstandssensors.- 1.3.2.1 Zentrale Takteinheit.- 1.3.2.2 Lasersender.- 1.3.2.3 Photoempfänger.- 1.3.2.4 Constant Fraction Trigger.- 1.3.2.5 Zeitquantisierung.- 1.3.2.6 Zeitdehnschaltung.- 1.3.2.7 Faseroptik.- 1.3.2.8 Spiegeloptik.- 2. Das Simulationsmodell des Sensorsystems.- 2.1 Motivation für das Simulationsmodell.- 2.2 Modellierung der zu vermessenden Kontur.- 2.2.1 Form der Kontur.- 2.2.2 Grauwert eines Konturpunktes.- 2.2.2.1 Orientierung der Tangentialebene in einem Konturpunkt.- 2.2.2.2 Richtcharakteristik der Streuung des einfallenden Lichts.- 2.2.2.3 Absorption des Lichts.- 2.3 Modellierung der elektronischen Komponenten.- 2.3.1 Modellierung des Lasersenders.- 2.3.2 Modellierung des Photoempfängers.- 2.3.3 Modellierung der Zeitmeßelektronik.- 2.4 Modellierung der Glasfaseroptik.- 2.4.1 Dämpfung der Glasfasern.- 2.4.2 Dispersion der Glasfasern.- 2.4.3 Erzeugung des Referenzsignals.- 2.4.4 Geregeltes optisches Dämpfungsglied.- 2.4.5 Kohärenz des Laserlichts in der Glasfaser.- 2.4.6 Abstrahlung am Faserende.- 2.4.7 Leistungsverteilung über dem Faserquerschnitt.- 2.4.8 Strahldichte.- 2.4.9 Einkopplung in die Empfangsfaser.- 2.5 Modellierung der Spiegeloptik.- 2.5.1 Modellierung der idealen Sammellinse.- 2.5.2 Modellierung der bikonvexen Linse.- 2.5.3 Modellierung des Spiegels.- 2.6 Durchrechnung der Spiegeloptik.- 2.6.1 Optische Leistungsdichte auf der Zielebene.- 2.6.2 Empfangsleistung als Funktion der Mefientfernung.- 2.7 Ebenes Simulationsmodell.- 2.8 Simulation weiterer Linsensysteme.- 3. Systemtheoretische Beschreibung der 3D—Konturerfassung nach dem Laserpulslaufzeitverfahren.- 3.1 Lichtflecke als Abtastapertur.- 3.2 Synthese des Empfangssignals.- 3.3 Gewinnung der Konturinformation aus dem Empfangssignal.- 3.3.1 Grauwertbild als Ergebnis der Konturvermessung.- 3.3.2 Gemessene Referenzlaufzeit.- 3.3.3 Gemessene Ziellaufzeit.- 3.3.4 Entfernungsbild als Ergebnis der Konturvermessung.- 3.4 Fehlerbehandlung.- 3.4.1 Deterministische Fehler.- 3.4.2 Statistische Fehler.- 3.5 Simulationsbeispiele.- 3.5.1 Simulation der Vermessung ebener Konturen.- 3.5.2 Simulation der Vermessung räumlicher Konturen.- 3.6 Meßbeispiel.- 3.7 Systemtheoretische Beschreibung weiterer Sensorsysteme.- 3.7.1 Abstandssensor mit Schwerpunktlaufzeitbestimmung.- 3.7.2 Abstandssensor nach dem Phasenvergleichsverfahren.- 4. Die Konturrestauration.- 4.1 Das inverse Problem.- 4.2 Das Adaptive Least Squares Verfahren.- 4.2.1 Die Glättungsfunktion.- 4.2.2 Die Gewichtungsfunktion.- 4.3 Räumlich und zeitlich lineare Beschreibung der Konturvermessung.- 4.3.1 Interpolation und Extrapolation von Konturpunkten.- 4.3.2 Aufstellung der Gleichungssysteme.- 4.3.2.1 Gleichungssystem für die Grauwerte.- 4.3.2.2 Gleichungssystem für die Zielentfernungen.- 4.3.3 Iterative Lösung über Teilgleichungssysteme.- 4.3.3.1 Serielles Verfahren.- 4.3.3.2 Paralleles Verfahren.- 4.4 Zeitlich lineare, räumlich nichtlineare Beschreibung der Konturvermessung.- 4.4.1 Langsam veränderliche Meßentfernung.- 4.4.2 Schnell veränderliche Meßentfernung.- 4.5 Allgemeine Beschreibung der Konturvermessung.- 4.6 Simulationsbeispiele.- 4.6.1 Qualitätskriterien zur Beurteilung der Restaurationsergebnisse.- 4.6.2 Erzeugung der Testkonturen.- 4.6.2.1 Erzeugung der ebenen Testkonturen.- 4.6.2.2 Erzeugung der räumlichen Testkonturen.- 4.6.3 Entstehung der gestörten Meßdaten.- 4.6.4 Monte—Carlo—Simulation der Restauration ebener Konturen.- 4.6.4.1 Einfluß des Normierungsfaktors der Gewichtungsfunktion.- 4.6.4.2 Einfluß der Ausdehnung der Gewichtungsfunktion.- 4.6.4.3 Extrapolation von Konturpunkten.- 4.6.4.4 Interpolation von Konturpunkten.- 4.6.5 Restauration ebener Konturen bei unterschiedlicher Modellierung des Meßvorgangs.- 4.6.6 Monte—Carlo—Simulation der Restauration räumlicher Konturen.- 4.6.6.1 Einfluß des Normierungsfaktors der Gewichtungsfunktion.- 4.6.6.2 Einfluß der Ausdehnung der Gewichtungsfunktion.- 4.7 Meßbeispiel.- 5. Zusammenfassung und Ausblick.- A. Anhang.- A.1 Berechnung des Strahlengangs durch eine ideale Sammellinse.